Kreation im Labor

Wie Eisen in Meteoriten zur Entstehung des Lebens beigetragen haben könnte

Eines ist sicher: Das Leben auf der Erde entstand schon sehr früh in der Geschichte des Planeten Erde. Auf die Frage, wie und wo die ersten organischen Moleküle entstanden sind, gibt es nur wenige konkrete Antworten. Eine populäre Theorie geht davon aus, dass der Nährboden für Leben hydrothermale Quellen tief unter dem Meer waren. Forscher schlagen ein neues plausibles Szenario für die Entstehung des Lebens auf der Erde vor: Meteoriten. Das darin enthaltene Eisen könnte eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der ersten Bausteine ​​des Lebens gespielt haben.

Ein kleines Fragment des Eisenmeteoriten Campo del Cielo. Die gleiche intensive Hitze, die den Meteoriten teilweise schmolz und die hier sichtbare glatte Oberfläche erzeugte, hätte auch Eisen verdampft und abgetragen, wodurch winzige, nanometergroße Partikel entstanden wären. Diese Partikel könnten als Katalysatoren für die Entstehung der Bausteine ​​des Lebens auf der frühen Erde gewirkt haben.

© O. Trapp

Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie und der Ludwig-Maximilians-Universität München haben anhand von Experimenten mit Meteoriten und Vulkanasche eine neue Art und Weise gezeigt, wie sich organische Moleküle unter den Bedingungen auf der frühen Erde gebildet haben könnten. Die Schlüsselrolle spielen dabei Eisenpartikel aus Meteoriten und Vulkanasche, die als Katalysatoren wirken. Katalysatoren sind Stoffe, deren Anwesenheit bestimmte chemische Reaktionen beschleunigt, die dabei aber nicht verbraucht werden. Auf diese Weise ähneln sie den Werkzeugen, die in der Fertigung verwendet werden, um beispielsweise nicht nur ein Fahrrad, sondern mehrere zu bauen.

In diesem Fall ist es plausibel, dass diese Eisenpartikel zur Bildung der ersten organischen Moleküle aus der kohlendioxidreichen Uratmosphäre beigetragen haben könnten, darunter Kohlenwasserstoffe, Acetaldehyd oder Formaldehyd. Diese Stoffe wiederum sind Bausteine ​​für Fettsäuren, Nukleobasen (selbst Bausteine ​​der DNA), Zucker und Aminosäuren. Diese organischen Moleküle sind die Bausteine ​​komplexerer Organismen. Ihre Entstehung war der erste frühe Schritt in einer Reihe von Ereignissen, die Leben auf die Erde brachten. Es dauerte etwa 2 Milliarden Jahre, bis sich die ersten (eukaryontischen) Zellen bildeten.

Die entscheidenden Impulse für die Forschung kamen ausgerechnet aus der industriellen Chemie. Es ist bekannt, dass Kohlenmonoxid und Wasserstoff mit Hilfe metallischer Katalysatoren in Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden können. Der dahinter stehende Prozess wird Fischer-Tropsch-Prozess genannt. Oliver Trapp, Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität München und Max-Planck-Fellow am Max-Planck-Institut für Astronomie, fragte sich, ob dieser Prozess nicht auch auf einer frühen Erde mit einer kohlendioxidreichen Atmosphäre stattgefunden haben könnte: „Als ich hinschaute Als ich die chemische Zusammensetzung des Campo-del-Cielo-Eisenmeteoriten sah, bestehend aus Eisen, Nickel, etwas Kobalt und winzigen Mengen Iridium, wurde mir sofort klar, dass es sich um einen perfekten Fischer-Tropsch-Katalysator handelt“, erklärt Trapp. Der logische nächste Schritt waren Experimente, um die kosmische Version von Fischer-Tropsch zu testen.

Dmitry Semenov, Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie, brachte Vulkanasche ins Spiel: „Als Oliver mir von seiner Idee erzählte, war mein erster Gedanke, dass wir auch die katalytischen Eigenschaften von Vulkanaschepartikeln untersuchen sollten.“ Die frühe Erde muss geologisch aktiv gewesen sein. In der Atmosphäre und auf den ersten Landmassen der Erde hätte es reichlich feine Aschepartikel geben müssen.

Trapps Doktorandin Sophia Peters führte im Rahmen ihrer Doktorarbeit die notwendigen Experimente durch. Um Zugang zu Meteoriten und Mineralien sowie Fachwissen in der Analyse solcher Materialien zu erhalten, wandte sie sich an den Mineralogen Rupert Hochleitner, einen Meteoritenexperten an der Mineralogischen Staatssammlung in München. Für ihre Experimente verwendeten sie Eisenpartikel aus einem Eisenmeteorit, einem eisenhaltigen Steinmeteorit oder Vulkanasche vom Ätna. Anschließend wurden die Eisenpartikel mit verschiedenen Mineralien vermischt, wie sie auch auf der frühen Erde vorhanden gewesen sein sollen. Diese Mineralien dienten als Trägerstruktur, da sich Katalysatoren meist als kleine Partikel auf einem geeigneten Untergrund anlagern.

Die Partikelgröße ist wichtig. Die bei Vulkanausbrüchen entstehenden feinen Aschepartikel haben typischerweise eine Größe von wenigen Mikrometern. Im Fall von eisenreichen Meteoriten, die durch die Atmosphäre der frühen Erde fallen, würde die atmosphärische Reibung sowohl mikro- als auch nanometergroße Eisenpartikel abtragen, während das Eisen in der starken Hitze verdampfen und später in der umgebenden Luft wieder erstarren würde.

Die Forscher wollten diese Vielfalt an Partikelgrößen auf zwei verschiedene Arten reproduzieren. Durch das Auflösen des Meteoritenmaterials in Säure stellten sie aus dem vorbereiteten Material nanometergroße Partikel her. Und indem die Forscher 15 Minuten lang entweder das Meteoritenmaterial oder die Vulkanasche in eine Kugelmühle gaben, erzeugten sie mechanisch größere, mikrometergroße Partikel. Eine solche Kugelmühle ist eine Trommel, die sowohl das Material als auch Stahlkugeln enthält. Die Trommel wird mit hoher Geschwindigkeit, in diesem Fall mehr als zehnmal pro Sekunde, gedreht, wobei die Stahlkugeln das Material zermahlen.

Da die ursprüngliche Erdatmosphäre keinen Sauerstoff enthielt, führte das Team chemische Reaktionen durch, die der Mischung fast den gesamten Sauerstoff entzogen. Anschließend brachten die Wissenschaftler die Mischung in eine Druckkammer, die hauptsächlich mit Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoffmolekülen gefüllt war. Anders als heute bestand die Atmosphäre damals hauptsächlich aus CO2 und Wasserdampf und übte fast das Hundertfache des atmosphärischen Drucks auf die Erdoberfläche aus. „Da es viele verschiedene Möglichkeiten für die Eigenschaften der frühen Erde gibt, habe ich versucht, jedes mögliche Szenario experimentell zu testen“, sagt Sophia Peters. „Am Ende habe ich fünfzig verschiedene Katalysatoren verwendet und das Experiment bei verschiedenen Werten für den Druck, die Temperatur und das Verhältnis von Kohlendioxid- und Wasserstoffmolekülen durchgeführt.“

Unter den hier simulierten Bedingungen einer jungen Erde reagierte die antike Atmosphäre und produzierte dank des Eisenstaubs eine beträchtliche Menge organischer Verbindungen wie Methanol, Ethanol und Acetaldehyd sowie Formaldehyd. Insbesondere Acetaldehyd und Formaldehyd sind die Verbindungen wichtiger Bausteine ​​des Lebens: Fettsäuren, Nukleobasen, Zucker und Aminosäuren. Das Ergebnis ist ein starker Hinweis darauf, dass solche Reaktionen tatsächlich auf der frühen Erde stattgefunden haben könnten – weitgehend unabhängig von der genauen Zusammensetzung der damaligen Erdatmosphäre, die wir derzeit nicht kennen.

Mit diesen Ergebnissen gibt es nun einen neuen Anwärter auf die Frage, wie die ersten Bausteine ​​des Lebens auf der Erde entstanden sind. Er reiht sich in die Reihe „klassischer“ Mechanismen wie der organischen Synthese in der Nähe heißer Quellen am Meeresboden oder der elektrischen Entladung in einer methanreichen Atmosphäre (wie im Urey-Miller-Experiment) und in die Reihe von Modellen ein, die vorhersagen, wie organische Verbindungen entstanden sein könnten in der Tiefe des Weltalls gefunden und von Asteroiden oder Kometen zur Erde transportiert wurden (siehe diese MPIA-Pressemitteilung), gibt es nun eine andere Möglichkeit: Eisenpartikel, die während des frühen Meteoritenbeschusses auf die Erde niederregneten, oder feine Vulkanasche. Diese fungierten höchstwahrscheinlich als Katalysatoren in einer frühen, kohlendioxidreichen Atmosphäre und kündigten die Entstehung des Lebens auf der Erde an.

Wie im wirklichen Leben führt die Wahrscheinlichkeit, dass nicht nur ein Weg zum Ziel führt, sondern mehrere. Mit diesem neuen Verfahren stehen vielfältige Möglichkeiten zur Verfügung. Die Chancen stehen gut, dass weitere Untersuchungen der Uratmosphäre und der physikalischen Eigenschaften der frühen Erde Aufschluss darüber geben, welcher der verschiedenen Mechanismen unter realistischen Bedingungen die höchste Ausbeute an Lebensbausteinen liefert. Die Rolle von Eisen als Katalysator weist eine Besonderheit auf: Der Ursprung dieses Elements liegt im Inneren riesiger Sterne, den kosmischen Küchen der Galaxien. Am Ende ihres Lebens reichern diese Sterne interstellares Gas mit genau den Elementen an, die in ihrem Inneren durch gewaltige Supernova-Explosionen entstanden sind. Darunter ist Eisen, ein potenzieller Katalysator für Leben, der nicht nur auf der Erde hätte aktiv werden können.

PM/TB